闪亮的壳：当一个4纳米的铂铜合金纳米粒（上）暴露在周期性的交流电中，铜原子从表面分离，生成一个富含铂的壳。在扫描传送式电子显微镜下，它的图像更亮（下）。 来源：彼得•斯特拉瑟（Peter Strasser）
在氢燃料电池中，铂及铂合金是加快化学反应速度的最有效的催化剂。铂是唯一能承受电池中酸性环境的金属，但是它很昂贵，这也限制了燃料电池广泛、大规模的应用。而且，世界上约90%铂的供应来自两个国家——南非和俄罗斯。
这种新材料已经达成了美国能源部2015年铂催化剂的目标：每毫克铂至少产生0.44安培的电流。新材料每毫克铂产生的电流能达到0.49安培，而且研究人员相信还能进一步提高该材料的催化活性。“如果能找到另两个（改善催化活性的）因素，我们认为这些燃料电池中铂所占的成本能使这项技术更具有可行性，” SLAC的物理学家安德斯•尼尔森（Anders Nilsson）说。
“这是一项出色的研究，能让我们在燃料电池中使用更少的铂，”位于魁北克的法国国家职业探索与安全研究所（Institut National de la Recherche Scientifique）的能源、材料和电信教授让-保罗•多德雷（Jean-Pol Dodelet）说。
在传统的质子交换膜燃料电池的阳极，催化剂将氢分离成氢离子和电子，后者流出电池形成电流。在阴极，氧分子与电子和氢离子结合形成水。这个反应很缓慢，加速这个反应所需的铂是阳极所需铂的10倍。“如果你想替换铂，那么换掉阴极的铂更为重要，” 多德雷说。
休斯敦大学和柏林工业大学的化学工程教授彼得•斯特拉瑟从2005年开始研究新型催化剂，将铜铂合金纳米粒子涂到碳支持膜上。当该材料施加上周期性的交流电时，铜从表面分离，为纳米粒提供了一个富含铂的外层。
在最近《自然化学》（Nature Chemistry）上的一篇文章中，研究人员揭示了使得这种催化剂比常规的铂更具活性的机理。通过研究怎样利用新的催化剂分散X射线，他们发现留在纳米粒表面的铂原子之间的距离比纯铂纳米原子中的距离小。好的催化剂应该能将氧分子分裂成原子，但不应与自由原子捆绑过于强烈；新材料中，铂原子间的距离较小，使得它成为更有效的催化剂，因为它与氧原子的捆绑较弱。
作为催化剂，铂有替代品。多德雷及他的团队已经和通用汽车合作研发一种前景看好的铁基催化剂，现在他们正在努力将其商业化。同时，低成本碱性燃料电池用碳纳米管催化剂和镍催化剂也在研发过程中。
除了廉价，无铂催化剂还有其他优点，俄亥俄州代顿大学的材料工程教授戴利明（音译）说，他正在研究碳纳米管催化剂。随着时间的推移，铂纳米粒会聚集成更大的粒子，或者表面粘上一氧化碳，从而失去催化效率。从长期来看，碳纳米管更耐用，戴表示。
“这是很有趣的工作，也是重要的进步，因为这一机理可能用于其他催化剂，”戴这样评价新的铂催化剂。“研究这种核—壳催化剂长期的稳定性和一氧化碳表层的中毒效应是很有意思的。”
斯特拉瑟也同意这种新的催化剂还需要进一步的测试。但是，核—壳粒子的较大尺寸使得它们在本质上比纯铂更加稳定，他表示。选择这种金属也有影响。“我们有信心，核心处的非铂金属，如钴和镍，能解决稳定性的问题，同时保持核—壳结构的活性优势，” 斯特拉瑟说。
这种新材料也已经过了工作中的燃料电池的测试，这可能是一个重要的市场优势。“大多数其他的催化剂用的都是电化学测试，”他说。“它们有在将来使用的潜力，但是我们的这种（新催化剂）是一种能用于今天实际燃料电池中的东西。”
